(57)【要約】【課題】ガスタービンエンジン用の燃焼器部材、燃焼器パネル、および燃焼器部材の作製方法が提供される。【解決手段】物品３７Ｃ、３８Ｃ、３１は、特性熱−機械応力主方向５１６、５２４、５３２を有する。物品３７Ｃ、３８Ｃ、３１は、この主方向との目標位置合わせ内に最低モジュラス方向（例えば、［００１］）を有する単結晶基体を備える。部材は、燃焼器シェル部品３０および熱シールド部品３１から成る群より選択され得る。部材は、円錐台形シェルセグメントの全体形状を有し得る。ガスタービンエンジンは、熱シールド部品３７、３８として使用される複数のこのような部材を含むことができる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
特性熱−機械応力主方向と、
前記主方向の１５°以内の最低モジュラス方向を有する単結晶基体と、
を備えることを特徴とする、ガスタービンエンジン燃焼器部材。
【請求項２】
燃焼器シェル部品および燃焼器熱シールド部品から成る群より選択されるガスタービンエンジン部材として使用されることを特徴とする請求項１記載の部材。
【請求項３】
円錐台形シェルセグメントの全体形状を有することを特徴とする請求項１記載の部材。
【請求項４】
燃焼器熱シールド部品として使用される請求項３記載の複数の部材を含むことを特徴とするガスタービンエンジン。
【請求項５】
基体上に少なくとも部分的な被覆をさらに備えることを特徴とする請求項１記載の部材。
【請求項６】
結晶構造は、面心立方であることを特徴とする請求項１記載の部材。
【請求項７】
結晶構造は、実質的にニッケル基超合金から成ることを特徴とする請求項１記載の部材。
【請求項８】
前記ニッケル基超合金は、
重量パーセントで、１．０〜１２．０のＣｒ、５．０〜２０．０のＣｏ、４．０〜１０．０のＴａ、５．３〜６．５のＡｌ、および５．５〜１０．０のＷを有し、さらに、
５０％を超えるガンマプライム（γ’）体積分率を有する、
ことを特徴とする請求項１記載の部材。
【請求項９】
円錐台形セグメントの全体形状を有する基体と、
基体の単結晶結晶粒構造と、
を有する燃焼器パネルであって、基体の単結晶結晶粒構造は、
パネルの円錐半角が、４５°未満の大きさを有する場合は、中心特性周方向の、あるいは、
パネルの円錐半角が、４５°を超える大きさを有する場合は、中心特性円錐方向の、
３０°以内の最低モジュラスの第一の方向を有することを特徴とする燃焼器パネル。
【請求項１０】
最低モジュラスの第一の方向は、中心特性周方向の１５°以内であり、
最低または第二の最低モジュラスの第二の方向は、中心特性表面長手方向の３０°以内である、
ことを特徴とする請求項９記載のパネル。
【請求項１１】
ガスタービンエンジンに使用されることを特徴とする請求項９記載のパネル。
【請求項１２】
円錐半角は、−３０°から３０°であることを特徴とする請求項９記載のパネル。
【請求項１３】
円錐半角は、±（５°から３０°）であることを特徴とする請求項９記載のパネル。
【請求項１４】
円錐半角は、６０°を超える大きさを有し、
パネルは、局所周方向スパンまたは局所径方向スパンのうちの少なくとも一つの少なくとも２５％の直線寸法を有するスワーラ開口部を備える、
ことを特徴とする請求項９記載のパネル。
【請求項１５】
基体は、実質的にニッケル基超合金から成ることを特徴とする請求項９記載のパネル。
【請求項１６】
実質的に周方向に延在する第一の縁部および第二の縁部と、
実質的に長手方向／径方向面内に延在する第三の縁部および第四の縁部と、
をさらに備えることを特徴とする請求項９記載のパネル。
【請求項１７】
２０°から６０°の特性周方向スパンを有することを特徴とする請求項９記載のパネル。
【請求項１８】
３０ｍｍから２００ｍｍの長手方向スパンを有することを特徴とする請求項９記載のパネル。
【請求項１９】
特性熱−機械応力主方向を決定し、
前記主方向との目標位置合わせ内に最低モジュラス方向を有する単結晶基体を備えるように部材を作製する、
ことを含むことを特徴とする、熱−機械疲労を受ける燃焼器部材を作製する方法。
【請求項２０】
目標位置合わせは、前記主方向の１５°以内であることを特徴とする請求項１９記載の方法。
【請求項２１】
前記の決定は、シミュレーションを含むことを特徴とする請求項１９記載の方法。
【請求項２２】
元の部材の交換部品を再作製するのに使用されることを特徴とする請求項１９記載の方法。
【請求項２３】
交換部品は、前記主方向に２０Ｍｓｉ（１３８ＧＰａ）未満の弾性率を有し、
元の部材は、前記主方向に３０Ｍｓｉ（２０７ＧＰａ）を超える弾性率を有する、
ことを特徴とする請求項２２記載の方法。
【請求項２４】
熱−機械応力二次方向を決定することをさらに含み、前記の作製は、基体に第二の方向を与え、この第二の方向はまた、最低モジュラス方向であることを特徴とする請求項１９記載の方法。
【請求項２５】
少なくとも部分的な被覆を基体に施すことをさらに含むことを特徴とする請求項１９記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃焼器鋳造に関する。より詳細には、本発明は、ガスタービンエンジン用の燃焼器パネルの鋳造に関する。
【背景技術】
【０００２】
熱シールドおよび浮遊壁（ｆｌｏａｔｗａｌｌ）パネルなどのガスタービンエンジン燃焼器部材は、一般に多結晶合金で作成される。これらの部材は、エンジン作動中のさまざまな局面において極度の熱および温度勾配に曝される。熱−機械応力およびその結果生じる疲労は、部材破損の一因となる。耐久性を与えるようにこのような部材を冷却する多くの努力がなされている。
【特許文献１】米国特許第４，１１６，７２３号明細書
【特許文献２】米国特許第４，２０９，３４８号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
それにもかかわらず、部材耐久性の改善の必要が残っている。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明の一態様は、ガスタービンエンジン燃焼器部材を含む。部材は、特性熱機械応力主方向と、この主方向の１５°以内の最低モジュラス（ｍｏｄｕｌｕｓ）方向を有する単結晶基体とを備える。
【０００５】
さまざまな実施において、部材は、燃焼器シェル部品および熱シールド部品から成る群より選択され得る。部材は、円錐台形シェルセグメントの全体形状を有し得る。ガスタービンエンジンは、熱シールド部品として使用される複数のこのような部材を含むことができる。部材は、基体上に少なくとも部分的な被覆をさらに備えることができる。結晶構造は、面心立方とすることができる。結晶構造は、実質的にニッケル基超合金から成ることができる。ニッケル基超合金は、重量％で１．０〜１２．０のＣｒ、５．０〜２０．０のＣｏ、４．０〜１０．０のＴａ、５．３〜６．５のＡｌ、および５．５〜１０．０のＷを有し、さらに、５０％を超えるガンマプライム（ｇａｍｍａ  ｐｒｉｍｅ）（γ’）体積分率（ｖｏｌｕｍｅ  ｆｒａｃｔｉｏｎ）を有することができる。
【０００６】
本発明の別の態様は、円錐台形セグメントの全体形状を有する基体と、中心特性方向の３０°以内の最低モジュラスの第一の方向を有する基体の単結晶結晶粒構造とを有することにより特徴付けられる燃焼器パネルを含む。特性方向は、パネルが、大きさが４５°未満の円錐半角を有する場合は、周方向であり、４５°を超える場合は、円錐方向である。
【０００７】
さまざまな実施において、最低モジュラスの第一の方向は、前記の中心特性周方向の１５°以内とすることができる。最低または第二の最低モジュラスの第二の方向は、中心特性表面長手方向の３０°以内とすることができる。パネルは、ガスタービンエンジンに使用できる。パネルは、−３０°から３０°の円錐半角を有することができる。円錐半角は、±（５°から３０°）とすることができる。基体は、実質的にニッケル基超合金から成ることができる。パネルは、実質的に周方向に延在する第一の縁部および第二の縁部と、実質的に長手方向／径方向面内に延在する第三の縁部および第四の縁部とを有し得る。パネルは、２０°から６０°の特性周方向スパンを有し得る。パネルは、３０ｍｍから２００ｍｍの長手方向スパンを有し得る。
【０００８】
本発明の別の態様は、熱機械疲労を受ける燃焼器部材を作製する方法を含む。特性熱機械応力主方向が決定される。部材は、前記の主方向との目標位置合わせ内に最低モジュラス方向を有する単結晶基体を備えるように作製される。
【０００９】
さまざまな実施において、目標位置合わせは、前記の主方向の１５°以内に対してである。決定は、シミュレーションを含むことができる。方法は、元の部材の交換部品を再作製するのに使用できる。交換部品は、前記の主方向に２０Ｍｓｉ（１３８ＧＰａ）未満の弾性率（ｅｌａｓｔｉｃ  ｍｏｄｕｌｕｓ）を有し得る。元の部材は、前記の主方向に３０Ｍｓｉ（２０７ＧＰａ）を超える弾性率を有し得る。熱−機械応力の二次方向が決定され得る。作製は、基体に第二の方向を与えることができ、この第二の方向はまた、最低モジュラス方向でもある。少なくとも部分的な被覆が、基体に施され得る。
【００１０】
本発明の一つまたは複数の実施態様の詳細は、添付の図面および以下の説明内に述べられる。本発明の他の特徴、目的、および利点は、説明および図面から、および請求項から明らかになるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
さまざまな図面内の同様の参照番号および符号は、同様の部材を示している。
【００１２】
図１は、ガスタービンエンジン燃焼器２０を示す。例示的な燃焼器２０は、一般にエンジン中心長手軸線（中心線）５００回りに環状になっており、エンジン中心長手軸線５００に平行して、前方方向５０２が例示されている。例示的な燃焼器は、二層の胴体中心寄りおよび胴体外側寄りの壁２２および２４を有する。壁２２および２４は、燃焼器セクション（図示せず）から空気を受け取る上流入口２７にある隔壁２６から、タービンセクション（図示せず）へ空気を供給する下流出口２８へと、後方／下流に延在する。燃料噴射器／スワーラアッセンブリ２９の周方向アレイが、隔壁内に取り付けられ得る。
【００１３】
隔壁は、シェル部分３０と、シェル部分３０から後方／下流に離間した熱シールド３１とを含む。熱シールド３１は、隔壁パネルの周方向アレイによって形成されることができ、隔壁パネルの少なくともいくつかは、噴射器／スワーラアッセンブリのうちの関連するアッセンブリを収容するための開口部を有する。燃焼器は、隔壁パネルアレイの後方／下流に内部３４を有する。胴体中心寄りおよび胴体外側寄りの壁２２および２４はそれぞれ、胴体外側寄りのシェル３５および３６と、内側の熱シールド３７および３８とを有する。これらのシェルは、隔壁シェルと連続することができる。各例示的な壁の熱シールドは、これらのシェルとすることができるような、パネルの長手方向および周方向のアレイで作成される。例示的な燃焼器には、六枚から二十枚の熱シールドパネルから成る長手方向リングが二つから六つ存在する。上流から下流へと、シールド３７および３８の各パネルは、３７Ａ〜３７Ｅ、および３８Ａ〜３８Ｅと特定される。例示的なパネル３７Ｃを参照すると、各パネルは、一般に内側（内部３４に面する）表面４０と、一般に外側表面４２とを有する。取り付けスタッド４４またはその他の特徴部が、パネルを隣接シェルに取り付けるように他方の表面４２から延在し得る。パネルは、前縁４６と後縁４８の間に、また、第一および第二の横方向（周方向）縁部５０および５２（図２）の間に延在する。パネルは、内側表面と外側表面の間に冷却孔５４の一つまたは複数の列を有することができ、また、当業技術内で知られるようにあるいはさらに開発できるようにこのような表面の一方または両方の上に付加的な表面強化部（図示せず）を有することができる。
【００１４】
内側表面４０は、周方向に凸状であり、中心６０を有する。図１はさらに、表面法線５１０と、表面法線５１０に垂直な円錐方向５１２とを有する。例示的なパネルは、円錐半角θ1と、長手方向スパンＬ1と、円錐方向スパンＬ2（図２）とを有する。径方向は、５１４で示す。周方向は、５１６で示す。パネルがエンジン中心線回りに横方向の縁部間に広がる角は、θ2で示す。例示的なリング当たり八枚のパネルでは、θ2は、公称４５°（例えば、パネル間に間隙を与えるようにわずかに小さい）である。
【００１５】
同様に、例示的なパネル３８Ｃは、内側および外側の表面８０および８２と、前縁８４および後縁８６と、横方向縁部８８および９０（図３）とを有する。内側表面８０は、周方向に凹状であり、中心１００を有する。表面法線は、５２０で示し、円錐方向は、５２２で示す。円錐半角は、−θ3（参考のために、負の角度は、後方に収束する円錐に関連している）で示し、長手方向スパンは、Ｌ3で示す。周方向は、図３において５２４で示す。周方向スパンは、θ4で示し、円錐方向スパンは、Ｌ4で示す。
【００１６】
図４は、隔壁熱シールドパネル３１を示しており、隔壁熱シールドパネル３１は、径方向に延在する周方向縁部１２０および１２２間の角スパンθ5を有するとともに胴体中心寄り縁部１２４および胴体外側寄り縁部１２６の間に径方向スパンＬ5に沿って延在する環状セグメントとして形成される。例示的なパネル３１は、噴射器／スワーラアッセンブリのうちの関連する一つのアッセンブリを収容する中央開口部１２８を有する。開口部１２８は、前方および後方の表面１３０および１３２の間に延在する（図５）。取り付けスタッド１３４が、前方表面１３０から前方へ延在する。胴体中心寄りおよび胴体外側寄りのリム１３４および１３６が、後方表面１３２から後方へ延在する。パネルは、径方向に延在することができ、あるいは、径方向から外れる角θ6で位置することができる。中心円錐方向は、５３０で示す。周方向は、５３２で示し、中心表面法線方向は、５３４（図５）で示す。最後の方向は、開口部１２８において生じているけれども、特性表面法線とみなす。高応力領域１４０が、開口部１２８のいずれの周方向側でも観察されている。応力は、開口部と隣接する縁部１２０および１２２との間にあるその応力位置において一般に周方向の割れを引き起こし得る。
【００１７】
典型的な先行技術のパネルは、３０〜４０Ｍｓｉ付近の弾性率を有する多結晶ニッケル基超合金で形成される。先進の単結晶合金が、ガスタービンエンジンブレードに使用するために開発されてきており、以下にさらに説明するように本パネルに適用できる。このような超合金は、高温（６５０℃＋）での使用に特に適合している。しかしながら単結晶物品は、等軸（ｅｑｕｉａｘｅｄ）および柱状結晶粒（ｃｏｌｕｍｎａｒ  ｇｒａｉｎ）鋳造物において以前に使用されているかあるいはその後に開発されたさまざまな超合金から作成できる。例示的なニッケル基超合金は、デュール（Ｄｕｈｌ）らに付与された米国特許第４，１１６，７２３号および第４，２０９，３４８号に開示されており、これらの開示は参照することによってここに組み込まれる。一般に、これらの高ガンマプライム（γ’）超合金は、等軸合金より高い作動温度を有する。それにもかかわらず、本発明は、ニッケル合金でばかりでなく、コバルト、鉄、およびその他の金属の面心立方構造合金で、また、他の結晶構造を有する金属で有用になり得ることが理解されるであろう。
【００１８】
特に高温条件（例えば、砂漠での作動）において、これらのパネルはしばしば、熱−機械応力から生じる熱−機械疲労（ＴＭＦ）に起因して割れを経験するのが観察された。相対的に長手方向のパネル（例えば、４５°未満、より狭くは４０°未満または３０°未満の大きさのθ1およびθ3を有する３７Ａ〜３７Ｅ、および３８Ａ〜３８Ｅ）では、高（一次）応力方位が実質的に周方向であることが観察されている。さらに、二次応力方向は、実質的に円錐方向であることが観察されている。相対的に径方向のパネル（例えば、３０°未満の大きさのθ6を有する隔壁パネル３１）では、一次応力方向は、実質的に円錐方向５３０であり、二次応力方向は、実質的に周方向５３２である。
【００１９】
高応力方向に位置合わせされた低モジュラス方向を有する単結晶合金からパネルを形成することで、潜在的に割れが軽減される可能性がある。図６は、ニッケルに特徴的な、また、アルミニウム、銅、その他などの特定の他の金属系に特徴的な面心立方（ｆｃｃ）結晶の八進（ｏｃｔａｌ）単位格子に対する従来のミラー指数を示す。立方晶系において、［１００］および［００１］などの任意の二つの直交する軸の空間内の方位の仕様は、結晶方位を十分に規定するものである。
【００２０】
性質は、ｆｃｃ結晶内の方位と共に変化する。図６を参照すると、［１００］、［０１０］、および［００１］の軸は、同じ性質によって特徴付けられ、いずれも最低のモジュラスである。他の結晶系では、三つの等価な最低モジュラス軸がないことがある。 [１００]軸に対して４５°の角度にある[１１０]軸は、［１００］軸と［０１０］軸との面内に位置する。本技術に従うと、パネルなどの物品は、一次応力方向５１６、５２４、５３２と位置合わせされた（すなわち、これらに平行な、あるいは以下に説明するように所定の公差内で）最低モジュラス軸（例えば、［００１］）を有する。作製およびその他の考慮によって、正確な位置合わせは、所望の再現性で達成するのが困難になり得る。従って、位置合わせは、第一の目標角（例えば、１５°）以内とするという公差が確立され得る。さらに、第二の最低モジュラス軸（例えば、ｆｃｃ構造では、別の最低モジュラス軸）が、二次応力方向５１２、５２２、５３０と位置合わせされるのが有利である。二次応力方向に関連するより低い応力によって、なお破損に対する所望の抵抗を与えながら、このような方向との目標位置合わせをより広い範囲とすることができる。従って、二次応力位置合わせのための例示的な第二の目標角は、第一の目標角より広くすることができる（例えば、３０°対１５°）。従って、一次応力方向と二次応力方向の応力の相対的な大きさは、目標位置合わせの相対的に可能なあるいは所望の範囲に影響を及ぼし得る。従って、より広い第一および第二の位置合わせは、２０°および３５°以内となるであろうし、より狭い第一および第二の位置合わせは、１０°および２０°以内となるであろう。
【００２１】
本発明において有用な特定の下位の一群のニッケル基超合金に対する例示的な重量％の仕様は、１．０〜１２．０のＣｒ、５．０〜２０．０のＣｏ、０．０〜１．０のＴｉ、５．３〜６．５のＡｌ、５．５〜１０．０のＷ、０〜０．１のＹ、０．５〜２．５のＭｏ、０．０〜７．０のＲｅ、０．０〜５．０のＲｕ、４．０〜１０．０のＴａ、および０．０〜０．５のＨｆであり、５０％を超えるガンマプライム（γ’）体積分率を有する。残部は、ニッケルと不純物とすることができる。この下位の群内の特定合金のより狭い重量％の仕様は、４．０〜６．０のＣｒ、９．０〜１１．０のＣｏ、０．０〜１．０のＴｉ、５．３〜６．０のＡｌ、５．５〜６．５のＷ、０．００１〜０．１のＹ、１．５〜２．５のＭｏ、２．５〜３．５のＲｅ、８．０〜９．０のＴａ、および０．０５〜０．４５のＨｆであり、５５％を超えるガンマプライム（γ’）体積分率を有する。付加的な構成要素は、これらの特定の合金に対する不純物レベル以下であるのが有利になり得る。
【００２２】
本発明は、部材の作製または再作製に適用できる。燃焼器パネルの例示的な再作製は、基準（ｂａｓｅｌｉｎｅ）物理構成を有する基準パネルであって、３０Ｍｓｉ（２０７ＧＰａ）から４０Ｍｓｉ（２７６ＧＰａ）の例示的な弾性率を有する基準多結晶材料で形成される基準パネルから開始する。例示的な再作製は、物理構成を維持し得るか、あるいは、それへの変更を含み得る。特性熱−機械応力の一次方向が決定される。特性熱−機械応力の二次方向が決定される。これは、解析的に（例えば、計算機または他のシミュレーションによって）、あるいは物理的に（例えば、実際の熱−機械応力を受ける見本または物理的模型の測定によって）行うことができる。特性方向は、空間的（例えば、体積的）な、必要があれば重み付けした、平均とすることができる。特性方向は、ピーク応力位置におけるピーク応力方向とすることができる。例示的な円錐台形セグメントでは、特性方向は、一般に測定方法から独立したものとすることができる。特性応力は、パネルの中心で特定され得る。
【００２３】
パネルは、前記の一次方向との第一の目標位置合わせ内での最低モジュラス方向と、前記の第二の方向との第二の目標位置合わせ内での第二の最低モジュラス方向とを有する単結晶基体を備えるように作製される。最低モジュラスは、２０Ｍｓｉ（１３８ＧＰａ）未満（例えば、約１８Ｍｓｉ（１２４ＧＰａ））とすることができる。パネル中心（または他の特性位置）における完全な位置合わせでさえも、その他の場所に位置合わせ不良があり得る。例えば、周方向パネルセグメントでは、一次応力方向が実質的にあらゆる場所で周方向である場合は、位置合わせは、パネルの半角までパネルに沿って周方向に変化することになる。それにもかかわらず、いくつかの目標位置合わせが、ピーク応力位置において、また、パネルのいくつかの体積分率（所望ならば、応力重み付けされる）に亘って、得られることは有利である。
【００２４】
パネルは、鋳造処理（例えば、インベストメント鋳造）によって作成され得る。結晶軸および応力軸の所望の相対的な位置合わせを達成するために、種晶（図示せず）が、当業技術内で知られるように、鋳造シェル（図示せず）の結晶粒スタータ（ｓｔａｒｔｅｒ）セクション内に配置され得る。さらなる技術が開発され得る。鋳造後の加工および、化学的、熱的および／または機械的な処理が、単結晶鋳造基体に施される被覆（例えば、セラミックス）のように、適切となり得る。さまざまなそのような処理および被覆が、当業技術内で知られており、その他は、開発され得る。
【００２５】
本発明の一つまたは複数の実施態様を説明した。それにもかかわらず、本発明の精神および範囲から逸脱せずにさまざまな変形を行い得ることが理解されるであろう。例えば、既存部材の再作製として適用されるときは、既存部材の詳細が、任意の特定の実施の詳細に影響し得るかまたはそれを規定し得る。従って、他の実施態様は、添付の請求項の範囲に含まれる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】ガスタービンエンジン燃焼器の長手方向断面図である。
【図２】図１の燃焼器の胴体中心寄りの熱シールドパネルの図である。
【図３】図１の燃焼器の胴体外側寄りの熱シールドパネルの図である。
【図４】隔壁熱シールドパネルの後面図である。
【図５】図４のパネルの側面図である。
【図６】面心立方構造の結晶軸の図である。
【符号の説明】
【００２７】
２０…ガスタービンエンジン燃焼器
２２…胴体中心寄りの壁
２４…胴体外側寄りの壁
２６…隔壁
２９…燃料噴射器／スワーラアッセンブリ
３０…シェル部分
３１…熱シールド
３５、３６…胴体外側寄りのシェル
３７、３８…内側の熱シールド
３７Ｃ…パネル
３８Ｃ…パネル
１２８…開口部
１４０…高応力領域
５００…エンジン中心長手軸線
５０２…前方方向
５１０、５２０…表面法線
５１２、５２２、５３０…円錐方向
５１４…径方向
５１６、５２４、５３２…周方向
５３４…中心表面法線方向
θ1、θ3…円錐半角
θ4…周方向スパン
Ｌ2、Ｌ4…円錐方向スパン
Ｌ5…径方向スパン
【図１】
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【図２】
2005300141.tif 000004
【図３】
2005300141.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
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